CN106780126B - 用于直流馈入电网直流系统暂态响应的简化求解方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于直流馈入电网直流系统暂态响应的简化求解方法，可用于交直流系统混合仿真中，其结果可作为直流系统换相失败的判断的依据；在该发明中，高压直流输电系统的数学模型包含了直流主设备系统的模型以及直流控制系统的模型；直流设备中计及了换流变压器、换流器、直流滤波器和直流线路；直流控制系统涉及换流器的不同控制方式；对于直流主设备系统中整流侧的模型进行简化，将整个整流侧表示为幅值可变的直流电源，其电压为控制角的函数；通过对简化直流设备系统与控制系统进行暂态仿真，得到全周期的高压直流输电系统的响应。

Description

用于直流馈入电网直流系统暂态响应的简化求解方法

技术领域

本发明属于电力系统仿真及计算领域，具体涉及一种用于直流馈入电网直流系统暂态响应的简化求解方法。

背景技术

基于晶闸管控制的高压直流输电系统由直流设备系统和直流控制系统两部分组成。直流设备系统一般包含换流变压器、换流器、直流滤波器、平波电抗器以及直流输电线路等，直流控制系统由整流侧和逆变侧的控制逻辑形成。由于直流系统的物理特性，整流侧和逆变侧均存在导通或者换相过程。根据直流主设备系统的响应，直流控制系统按照其控制逻辑形成换流器的触发脉冲时刻，换流器按照其物理特性完成换流阀的自动关断。

在逆变侧交流系统发生对称或者不对称故障后，直流系统逆变器可能发生换相失败。不同于交直流混联系统，对直流馈入式电力系统而言，直流系统联系的电网处于不同的同步电网。因此在直流馈入式系统的暂态仿真中，不用考虑整流侧电网受到换相失败的影响，从而可以对整流侧系统进行适当简化。

在简化模型的基础上，保留了直流系统逆变侧的详细结构，可用于对直流系统逆变侧电磁暂态过程的模拟。适用于机电-电磁暂态混合仿真，且能够进行逆变侧交流系统故障后引发的换相失败判断。

发明内容

本发明旨在提出一种用于直流馈入电网直流系统暂态响应的简化求解方法，目的在于求解逆变侧换流变压器电压为对称或者不对称情况下直流系统的响应；该方法通过对整流侧的直流模型进行适当简化，主要考虑逆变侧电压变化下直流系统的动态行为；该方法在保留直流逆变侧详细结构的基础上化简了直流系统的模型，计算效率高，且能够模拟直流系统的换相失败，在电力系统的机电-电磁暂态仿真以及直流系统的换相失败判断方面有重要的意义。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于直流馈入电网直流系统暂态响应的简化求解方法，将高压直流输电系统的整流侧交流电源、换流变压器和换流器简化为幅值可变的直流电压源，利用触发角与整流侧交流电压求出等值电压，降低直流系统暂态响应求解的复杂度；具体如下：

1)直流主设备系统的状态方程按照如下方法形成：

将整流侧的交流电源、换流变压器和换流器简化为幅值可变的直流电压源；结合直流主设备系统的其他元件，即逆变侧换流变压器、平波电抗器、直流滤波器以及直流输电线路，根据逆变器中换流阀的不同导通与关断状态，使用各元件的电阻、电感及电容参数，按照电路原理形成不同电路结构下直流主设备系统的状态方程：

其中x为直流主设备系统的状态变量，输入u为逆变侧的三相电压瞬时值；

为整流侧的输入矩阵；A_i、B_i分别为第i个工况下的状态矩阵以及逆变侧输入矩阵；u_R为整流侧的等值直流电压；

2)对于直流控制系统，按照其控制逻辑，列出其微分方程：

式中y表示直流控制系统的状态变量；x为直流主设备系统的状态变量；直流控制系统的输出为整流侧的触发延迟角α与逆变侧的触发超前角β；

3)式(1)中整流侧的等值直流电压u_R将随着直流控制系统计算过程中，整流侧的触发延迟角α而变化；利用准稳态公式，u_R表示为：

其中n_T为整流侧换流器的桥数，U_R为整流器交流侧的线电压有效值，X_c与k_T分别为整流侧换流变压器的等值电抗与变比，I_d为直流线路电流；

4)在交流系统的一个仿真步长T_AC内，对直流系统按照如下步骤进行暂态响应计算：

4.1)按照式(2)形成描述直流控制逻辑的直流控制系统方程；

4.2)给定交流侧的电压以及直流控制系统和直流主设备系统的初值，设定仿真的起始时刻t＝t₀，设置i＝0；

4.3)根据该时刻的直流主设备系统运行工况，按照式(1)得到该时刻直流主设备系统的方程；

4.4)联立直流主设备系统和直流控制系统的方程，以第i个工况起始时刻t_i时的状态量x(t_i)和y(t_i)作为初值进行直流主设备系统和直流控制系统的暂态过程计算，根据换流器的换相电流以及触发角的信息，确定该工况的结束时刻t_i+1；

4.5)利用4.4)的结果得到整流侧的触发延迟角α，代入式(3)得到下一工况下的整流侧的等值直流电压u_R；

4.6)设置i＝i+1,继续进行直流主设备系统和直流控制系统下一个运行工况下的暂态过程计算，直至该时段即时长为T_AC的仿真结束。

该方法适用于含采用晶闸管换流器的直流馈入式电力系统的机电-电磁暂态混合仿真。

该方法利用准稳态公式将整流侧的交流电源、换流变压器与换流器等电气量和状态量等效为与触发延迟角相关的等值直流电压形式，能够减少近一半的计算量。

该方法保留了逆变侧的换流器模型，不妨碍逆变侧换相失败的判断。

本发明和现有技术相比较，具备如下优点：

在直流馈入式电力系统的机电-电磁暂态过程仿真中，简化了对直流系统整流侧的处理，将整流侧的交流电源，换流变压器和换流器等值成为幅值可变的直流电压源，电压幅值由直流控制系统的触发延迟角α结合准稳态公式得到；使用该方法，在暂态过程计算中可以简化对整流侧换相过程的模拟，从而降低了直流系统暂态过程计算的复杂度；由于保留了逆变侧的详细模型，因此不妨碍对逆变侧换相失败的判断。

附图说明

图1直流控制系统的逻辑结构图示例。

图2为12脉波直流主设备系统一个运行工况的简化等值电路图。

图3为直流控制系统暂态过程计算的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步补充说明：

本发明一种用于直流馈入电网直流系统暂态响应的简化求解方法，将高压直流输电系统的整流侧交流电源、换流变压器和换流器简化为幅值可变的直流电压源，利用触发角与整流侧交流电压求出等值电压，降低直流系统暂态响应求解的复杂度；具体如下：

1)直流主设备系统的状态方程按照如下方法形成：

将整流侧的交流电源、换流变压器和换流器简化为幅值可变的直流电压源；结合直流主设备系统的其他元件，即逆变侧换流变压器、平波电抗器、直流滤波器以及直流输电线路，根据逆变器中换流阀的不同导通与关断状态，使用各元件的电阻、电感及电容参数，按照电路原理形成不同电路结构下直流主设备系统的状态方程：

其中x为直流主设备系统的状态变量，输入u为逆变侧的三相电压瞬时值；

为整流侧的输入矩阵；A_i、B_i分别为第i个工况下的状态矩阵以及逆变侧输入矩阵；u_R为整流侧的等值直流电压；

2)对于直流控制系统，按照其控制逻辑，列出其微分方程：

式中y表示直流控制系统的状态变量；x为直流主设备系统的状态变量；直流控制系统的输出为整流侧的触发延迟角α与逆变侧的触发超前角β；

3)式(1)中整流侧的等值直流电压u_R将随着直流控制系统计算过程中，整流侧的触发延迟角α而变化；利用准稳态公式，u_R表示为：

其中n_T为整流侧换流器的桥数，U_R为整流器交流侧的线电压有效值，X_c与k_T分别为整流侧换流变压器的等值电抗与变比，I_d为直流线路电流；

4)如图3所示，在交流系统的一个仿真步长T_AC内，对直流系统按照如下步骤进行暂态响应计算：

4.1)按照式(2)形成描述直流控制逻辑的直流控制系统方程；

4.2)给定交流侧的电压以及直流控制系统和直流主设备系统的初值，设定仿真的起始时刻t＝t₀，设置i＝0；

4.3)根据该时刻的直流主设备系统运行工况，按照式(1)得到该时刻直流主设备系统的方程；

4.4)联立直流主设备系统和直流控制系统的方程，以第i个工况起始时刻t_i时的状态量x(t_i)和y(t_i)作为初值进行直流主设备系统和直流控制系统的暂态过程计算，根据换流器的换相电流以及触发角的信息，确定该工况的结束时刻t_i+1；

4.5)利用4.4)的结果得到整流侧的触发延迟角α，代入式(3)得到下一工况下的整流侧的等值直流电压u_R；

4.6)设置i＝i+1,继续进行直流主设备系统和直流控制系统下一个运行工况下的暂态过程计算，直至该时段即时长为T_AC的仿真结束。

下面对本发明做进一步的补充说明：

对于类似图1的直流控制系统的形式，形成其状态方程：

其中，y为直流控制系统的状态量，x为直流主设备系统的状态量。

如附图2所示，给出了一个单极12脉波的高压直流输电主设备系统的结构图。其中，直流线路整流侧和逆变侧分别配置了滤波器，直流线路使用T型电路进行等值。

对直流主设备系统的第i个运行工况，类似图2的结构，形成直流主设备系统在第i个运行工况下的状态方程：

其中u表示逆变侧换流变压器交流母线电压，u_R为等值的整流侧直流电压A_i，B_i和

分别为状态矩阵和输入矩阵，x为状态变量。

联立(1)和(2)即可得到该工况下整个直流系统的方程。根据暂态响应计算的结果，按照换流器的换相电流以及触发时刻，得到该运行工况的结束时间，然后利用整流侧的触发延迟角α，根据准稳态公式得到整流侧直流等值电压u_R。

根据换流器的导通和关断规则，继续形成第i+1个工况的状态方程，并按照上述过程进行迭代，直至仿真结束。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定权利保护范围。

Claims (4)

1.一种用于直流馈入电网直流系统暂态响应的简化求解方法，其特征在于：将高压直流输电系统的整流侧交流电源、换流变压器和换流器简化为幅值可变的直流电压源，利用触发角与整流侧交流电压求出等值电压，降低直流系统暂态响应求解的复杂度；具体如下：

1)直流主设备系统的状态方程按照如下方法形成：

将整流侧的交流电源、换流变压器和换流器简化为幅值可变的直流电压源；结合直流主设备系统的其他元件，即逆变侧换流变压器、平波电抗器、直流滤波器以及直流输电线路，根据逆变器中换流阀的不同导通与关断状态，使用各元件的电阻、电感及电容参数，按照电路原理形成不同电路结构下直流主设备系统的状态方程：

其中x为直流主设备系统的状态变量，输入u为逆变侧的三相电压瞬时值；

为整流侧的输入矩阵；A_i、B_i分别为第i个工况下的状态矩阵以及逆变侧输入矩阵；u_R为整流侧的等值直流电压；

2)对于直流控制系统，按照其控制逻辑，列出其微分方程：

式中y表示直流控制系统的状态变量；x为直流主设备系统的状态变量；直流控制系统的输出为整流侧的触发延迟角α与逆变侧的触发超前角β；

3)式(1)中整流侧的等值直流电压u_R将随着直流控制系统计算过程中，整流侧的触发延迟角α而变化；利用准稳态公式，u_R表示为：

其中n_T为整流侧换流器的桥数，U_R为整流器交流侧的线电压有效值，X_c与k_T分别为整流侧换流变压器的等值电抗与变比，I_d为直流线路电流；

4)在交流系统的一个仿真步长T_AC内，对直流系统按照如下步骤进行暂态响应计算：

4.1)按照式(2)形成描述直流控制逻辑的直流控制系统方程；

4.2)给定交流侧的电压以及直流控制系统和直流主设备系统的初值，设定仿真的起始时刻t＝t₀，设置i＝0；

4.3)根据该时刻的直流主设备系统运行工况，按照式(1)得到该时刻直流主设备系统的方程；

4.4)联立直流主设备系统和直流控制系统的方程，以第i个工况起始时刻t_i时的状态量x(t_i)和y(t_i)作为初值进行直流主设备系统和直流控制系统的暂态过程计算，根据换流器的换相电流以及触发角的信息，确定该工况的结束时刻t_i+1；

4.5)利用4.4)的结果得到整流侧的触发延迟角α，代入式(3)得到下一工况下的整流侧的等值直流电压u_R；

4.6)设置i＝i+1,t＝t_i,转到4.2)继续进行直流主设备系统和直流控制系统下一个运行工况下的暂态过程计算，直至交流系统的一个仿真步长T_AC的仿真结束。

2.根据权利要求1所述的用于直流馈入电网直流系统暂态响应的简化求解方法，其特征在于：适用于含采用晶闸管换流器的直流馈入式电力系统的机电-电磁暂态混合仿真。

3.根据权利要求1所述的用于直流馈入电网直流系统暂态响应的简化求解方法，其特征在于：该方法利用准稳态公式将整流侧的交流电源、换流变压器与换流器电气量和状态量等效为与触发延迟角相关的等值直流电压形式，能够减少近一半的计算量。

4.根据权利要求1所述的用于直流馈入电网直流系统暂态响应的简化求解方法，其特征在于：保留了逆变侧的换流器模型，不妨碍逆变侧换相失败的判断。

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